I7 : Les sursauts gamma : un laboratoire unique pour l’astrophysique moderne

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  • Les sursauts gamma (GRBs pour Gamma-Ray Bursts) sont des flashs de rayons gammas durant d’une fraction de seconde à plusieurs dizaines de secondes. Ils apparaissent de façon aléatoire sur l’ensemble du ciel, et leur caractère élusif les ont rendu difficile à observer à d’autres longueurs d’ondes longtemps après leur découverte à la fin des années 60 du siècle dernier. C’est seulement à la fin des années 90 que des contreparties à de plus grandes longueurs d’ondes ont été détectées pour la première fois : en rayons-X, grâce au satellite BeppoSAX, et ultérieurement en visible et radio. Grâce aux observations de ces contreparties qui durent plus longtemps que l’on appelle « rémanence » (afterglow en anglais), les sursauts gamma ont été associées à des sources distribuées de façon cosmologiques (0.1<z<~9), et dans quelques cas pour la catégorie des sursauts « longs » (c’est-à-dire durant plus de 2s), la connexion avec les supernovae de type Ib/c a pu être établie (voir par exemple Zhang B.-B. et al., 2011, ApJ, 730, 141, pour une revue récente sur les sursauts gamma).

    Malgré les progrès récents dans la science des sursauts, obtenus en particuliers grâce aux missions spatiales Swift et Fermi, il y a encore beaucoup de questions ouvertes. L’une d’entre elles concerne le mécanisme physique qui sous-tend ces explosions extrêmes (en une poignée de secondes l’équivalent isotropique de l’énergie émise s’étend de 1050 à 1054 erg, ce qui fait des sursauts les événements les plus brillants de l’Univers), qui est toujours débattu plus de 40 ans après leur découverte. En particulier, le contenu du jet relativiste qui produit les sursauts, doit encore être identifié : particulièrement le facteur de Lorentz du jet, sa magnétisation, son contenu en baryon et ses conséquences sur la possibilité qu’ont les sursauts d’être la source des rayons cosmiques d’ultra hautes énergies (UHECR en anglais).

     

     

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    Vue Schématique d’un sursaut gamma. Crédits NASA.

     

    De plus, bien qu’il y ait un consensus sur la nature du progéniture des sursauts longs, comme étant de étoiles très massives, la nature des sursauts courts fait encore débat. Les modèles les plus populaires invoque la coalescence de deux objets compacts (trous noirs ou étoiles à neutrons), mais une preuve directe de ce scénario est toujours manquante.

    Spectre des sursauts : les hautes énergies

    L’observation par Fermi/LAT de plusieurs photons avec des énergies atteignant 50-100 GeV dans le référentiel de la source est encourageant sur les perspectives de détection de sursauts par les prochaines générations d’instrument qui opéreront dans le domaine du GeV et du TeV. En particulier l’expérience CTA devrait observer entre 0.5 et 2 sursauts par an (Inoue et al., Astropart. Phys. 43, 252, 2013). Durant la durée de vie de la mission SVOM, quelques sursauts seront mesurées dans le domaine 0.05-0.5 TeV par CTA, c’est d’autant plus important après la rémanence importante détectée au GeV pour le sursaut GRB 130427A (Tam et al., ApJ, 77, L13, 2013).
    Une analyse conjointe des spectres résolus en temps avec les données SVOM et CTA aidera à la compréhension des mécanismes d’accélération et d’émission prenant place dans les jets des sursauts. L’étude de l’émission prompte depuis le domaine d’énergie sub-MeV au sub-TeV peut permettre de distinguer entre les modèles leptoniques et hadroniques et permettra d’explorer la possibilité que les sursauts sont à l’origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie ce qui permettra de répondre à cette fascinante question de l’origine des rayons cosmiques observés sur Terre avec des énergies supérieures à 1010 GeV.

     

    GRB et nouveaux messagers

    Pour le moment, les neutrinos et les ondes gravitationnelles détectés par les expériences dédiées n’ont pu être corrélés avec aucune source astrophysique. Grâce à leur courte durée et leur flux élevé, les sursauts gammas représentent sans doute la meilleure contrepartie électromagnétique, et une détection simultanée serait une avancée décisive, débutant ainsi l’ère astronomique pour ces deux domaines de recherche.

    Neutrinos :

    Les neutrinos sont des messagers particulièrement intéressants pour l’étude de l’Univers à haute énergie. Ils sont neutres, stables et intéragissent faiblement, ils voyagent directement de leur lieu de création jusqu’à l’observateur sans être absorbés ni défléchis. Les neutrinos peuvent jouer un rôle important dans la compréhension des processus d’accélération des rayons cosmiques, leur détection en provenance d’une source identifiée étant une signature de processus d’accélération hadronique. En effet, les neutrinos de haute énergie sont produits par des désintégrations de mésons (principalement des pions π) issus de collisions hadroniques provenant de l’interaction de hadrons accélérés (protons ou noyaux) avec le milieu ambient ou avec le champ de photons local. Les neutrinos émis ont typiquement 10% de l’énergie des protons incidents. La production de neutrinos de 1014 eV nécessite l’accélération de protons jusqu’à 1015eV, ce qui est attendu même si les sursauts gammas ne sont pas la source des UHECRs. Selon les modèles considérés, ces neutrinos de haute énergie sont émis en coïncidence ou en précurseur de l’émission gamma.

    Ondes gravitationnelles :

    Le 14 septembre 2015 à 09:50:45 UTC les deux détecteurs d’onde gravitationnelle LIGO ont observés simultanément un signal d’onde gravitationnelle transitoire (Abbott et al., Phys. Rev. Lett. 116, 061102). Le signal ressemble parfaitement à celui prédit par les théorie de la relativité générale dans le cas de la coalescence de deux trous noirs de masses stellaires. Le signal a été détecté avec une significativité supérieure à 5.1σ. C’est la première détection directe d’une onde gravitationnelle et la première observation de la coalescence de deux trous noirs. Cet événement est appelé GW150914. Dans le cas de la coalescence de deux trous noirs, aucune contrepartie électromagnétique n’est attendue. Néanmoins, l’accroissement de sensibilité de la nouvelle génération de détecteur d’onde gravitationnelle, nous laisse espérer, dans un avenir proche, la détection en coincidence d’une onde gravitationnelle et du signal d’un sursaut-gamma court, ce qui fournira la preuve sur la nature binaire des progéniteurs de sursauts court.

    Signal d'onde gravitationnelle détecté par la collaboration LIGO

    Signal d’onde gravitationnelle détecté par la collaboration LIGO. Credit : Abbot et al. (Phys. Rev. Lett. 116, 061102).

     

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    POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR
    WP leader Diego GÖTZ AIM INGENIEUR CHERCHEUR, CEA
    WP co-leader Cyril LACHAUD APC MAITRE DE CONFERENCE, Paris 7
    WP membre Maryam ARABSALMANI AIM LABEX FUNDED POST-DOC
    WP membre Bertrand CORDIER AIM INGENIEUR CHERCHEUR, CEA
    WP membre Arnaud CLARET AIM INGENIEUR CHERCHEUR, CEA
    WP membre Emeric LE FLOC’H AIM INGENIEUR CHERCHEUR, CEA
    WP membre Laura GOSSET AIM PHD STUDENT, CEA
    WP membre Susanna VERGANI GEPI CHERCHEUR, CNRS
    WP membre Denis ALLARD APC CHERCHEUR, CNRS
    WP membre Bruny BARET APC CHERCHEUR, CNRS
    WP membre Eric CHASSANDE-MOTTIN APC CHERCHEUR, CNRS
    WP membre Philippe LAURENT APC INGENIEUR CHERCHEUR, CEA

     

     

  • Le but du projet WP 7 Interface était de poursuivre nos études sur les salves de rayons gamma (GRB) sur deux sujets principaux : d’un côté comme sources potentielles et prometteuses d’ondes gravitationnelles, les neutrinos, les rayons cosmiques et les rayons gamma TeV, et de l’autre côté sur les observations et l’interprétation des données sur l’environnement de GRB. Nous rapportons d’abord les résultats sur les BSG comme sondes de leur environnement, obtenus grâce à l’embauche par le LabEx de M. Arabsalmani à l’AIM, encadrée par E. Le Floc’h (AIM) et S. Vergani (GEPI).

     

    DE LONGUES SALVES DE RAYONS GAMMA COMME SONDES DE L’UNIVERS LOINTAIN.

     

    Les propriétés physiques des environnements d’où proviennent les salves de rayons gamma longs (LGRB) ont fait l’objet de nombreuses études au cours des 20 dernières années. Néanmoins, on se demande encore si ces environnements sont représentatifs de l’ensemble de la population des galaxies formant des étoiles à travers le temps cosmique ou s’ils sont biaisés vers une classe particulière de sources.
    Par exemple, la métallicité de l’environnement proche du GRB, ainsi que son efficacité de formation d’étoiles, pourrait jouer un rôle majeur dans la probabilité qu’un GRB se produise dans une galaxie donnée. Le traitement de ces questions demeure le thème central de nombreux projets de recherche en cours sur les hôtes de LGRB, car il a un impact critique sur la compréhension de la façon dont les LGRB peuvent sonder l’évolution des galaxies dans l’Univers lointain.

     

    Efficacité de la formation des étoiles dans les galaxies hôtes du GRB :

     

    La teneur en gaz moléculaire des hôtes du LGRB ainsi que leur efficacité dans la conversion de ce gaz en étoiles est encore controversée.

    Notre résultat révèle donc que les GRBs peuvent aussi se produire dans des sources de poussières massives similaires à celles qui peuplent l’extrémité de masse élevée de la dite « Main Sequence » des galaxies formant des étoiles, illustrant la diversité des environnements sondés par les LGRBs.

     

    Relations d’échelle entre la masse stellaire, la métallicité et la largeur de la vitesse dans les galaxies hôtes du GRB :

     

    En utilisant 82 spectres de post-combustion optique du GRB et des galaxies hôtes du GRB, nous avons exploré les métallicités (dérivées à la fois des lignes d’absorption et d’émission) et les largeurs de vitesse de ligne des hôtes du GRB en fonction de leur masse stellaire. Notre principal résultat montre que les galaxies hôtes du GRB suivent une relation masse-métallique similaire à celle observée parmi les galaxies de formation d’étoiles de champ (avec un petit décalage compatible avec les incertitudes et la systématique).

     

     

    LES EXPLOSIONS DE RAYONS GAMMA EN TANT QUE SOURCES MULTI-MESSAGERS

     

    En 2017, nous (D. Allard et C. Lachaud à APC) avons finalisé le travail en collaboration avec N. Globus et T. Piran sur l’excès de rayons cosmiques à très haute énergie (UHECR) découvert par l’expérience TA et sa relation avec les sources transitoires, comme les salves de rayons gamma.

    Le réseau de télescope (TA) montre un point chaud de 20 degrés de large ainsi qu’un excès de UHECR au-dessus de 50 EeV par rapport au spectre Auger. Nous considérons la possibilité que l’excès d’AT et le hotspot soient dus à une source dominante dans le ciel du Nord. Alors que nous reproduisons assez bien le spectre Auger pour la grande majorité des ensembles de données simulées, la plupart des ensembles de données simulées avec un spectre compatible avec celui de l’AT (au plus quelques pour cent selon le modèle de densité testé) montrent une anisotropie beaucoup plus forte que celle observée. Nous constatons que les rares cas où le spectre et l’anisotropie sont cohérents nécessitent une source constante dans ∼ 10 Mpc, pour tenir compte de l’excès de flux, et un champ magnétique extragalactique fort ∼ 10 nG, pour réduire l’anisotropie excessive.

     

     


    SVOM

    SVOM : accronyme de « Space based Variable astronomical Object Monitor «. C’est une mission spatiale sino-française pour l’étude des sursauts gammas qui devrait être lancée en 2021. Elle est développée en France par le CNES en collaboration avec le CEA Irfu/SAp (AIM), l’APC, l’IRAP et le LAM. La France fournira une caméra grand champ à masque codé (ECLAIRs, 4-150 keV), et un télescope petit champ à rayons-X (MXT, 0.2-10 keV).

     

    CTA

    Cherenkov Telescope Array. C’est la prochaine génération d’instrument au sol pour la détection des photos de très haute énergie (E> 10 GeV). Ce sera un observatoire ouvert à une large communauté d’astrophysiciens et fournira de précieuses informations sur l’Univers à haute énergie.

    ANTARES

    La collaboration ANTARES a construit un gigantesque détecteur Cherenkov sous la mer Méditerranée afin de détecter les muons issus de neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique.

    Advanced Virgo/Ligo

    Virgo et Ligo sont des détecteurs d’ondes gravitationnelles.

    AUGER

    L’observatoire Pierre Auger est une collaboration internationale réunie autour de la détection des rayons cosmiques d’ultra hautes énergies : des particules voyageant à la vitesse de la lumière avec des énergies au delà de 1018 eV (atteignant même 1020>/sup> eV).

    Le schéma de l’observatoire est montré ci-dessous. Les lignes bleues représentent les champs de vue des différents détecteurs de fluorescence (FD, 4×6=24). Les points noirs représentent les détecteur Cherenkov de surface (SD, 1600). Les points rouges sont des sites avec une instrumentation particulière (lasers, etc…)

  • G. Ghirlanda, … ,D. Götz, … , S. Vergani, Accessing the Population of High Redshift Gamma Ray Bursts, 2015, MNRAS, 448, 02514

    S. Vergani , …, E. Le Floc’h, et al., Are LGRBs biased tracers of star formation? Clues from the host galaxies of the Swift/BAT6 complete sample of LGRBs. I: Stellar mass at z<1, 2015, A&A, 581, 102

    Pescalli, …, S. Vergani, …, D. Götz, The rate and luminosity function of long Gamma Ray Bursts, 2015, A&A, in press, (arXiv:1506.05436)

    W. Yuan,…, B. Cordier,…, D. Götz, et al., Perspectives on Gamma-Ray Burst Physics and Cosmology with Next Generation Facilities, 2015, Chapter of the Book Gamma-Ray Bursts: a Tool to Explore the Young Universe, to be edited by Springer (ISSI-BJ Workshop)

    O.S. Salafia, M. Colpi, M. Branchesi, E. Chassande-Mottin, G. Ghirlanda, G. Ghisellini, S. Vergani, 2017, « Where and When : Optimal Sheduling of the Electromagnetic Follow-up of Grawitational-wave Events Based on Counterpart Light-curve Model, ApJ, 846, 62

    R. Martone, L. Izzo, M. Della Valle, L. Amati, G. Longo, D. Götz, 2017, “False outliers of the Ep,i-Eiso correlation?”, A&A, in press, arXiv/1708.03873

    A.B. Higgins, R.L.C. Starling, D. Götz, et al., 2017, “Investigating the nature of INTEGRAL Gamma-Ray Bursts and sub-threshold triggers with Swift follow-up”, MNRAS, 470, 314

    N. Globus, D. Allard, E. Parizot, C. Lachaud, T. Piran, 2017, “Can we reconcile the TA Excess and Hotspot with Auger Observations?”, ApJ, 836, 163

    Abbott,…,D. Götz, …,S. Vergani,…, et al., 2017, “Multi-messenger observations of a neutron star merger”, ApJ, in press

    M. Arabsalmani, E. Le Floc’h, …, S. Vergani, et al., 2017, “A Molecular gas rich GRB host galaxy at the peak of cosmic star formation with significant outflowing gas”, submitted to MNRAS

    M. Arabsalmani, …, E. Le Floc’h, …, S. Vergani, et al., 2017, “Mass and metallicity scaling relations of high redshift star-forming galaxies selected by GRBs”, MNRAS, in press